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Dissertação de Mestrado

CRITÉRIOS DE PROJETO DE SISTEMAS DE

DISPOSIÇÃO EM PILHAS DE RESÍDUOS DE

ALUMINA DESAGUADOS POR FILTRO PRENSA

AUTORA: SUELI APARECIDA DA SILVA

ORIENTADOR: Prof. Dr. Romero César Gomes (UFOP)

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM GEOTECNIA DA UFOP

OURO PRETO – JULHO DE 2016

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CRITÉRIOS DE PROJETO DE SISTEMAS DE

DISPOSIÇÃO EM PILHAS DE RESÍDUOS DE

ALUMINA DESAGUADOS POR FILTRO

PRENSA

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-

Graduação em Geotecnia do Núcleo de Geotecnia

da Escola de Minas da Universidade Federal de

Ouro Preto, como parte integrante dos requisitos

para obtenção do título de Mestre em Geotecnia.

Esta dissertação foi apresentada em sessão pública e aprovada em

20 de Julho de 2016, pela Banca Examinadora composta pelos membros:

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“Deus nos concede, a cada dia, uma página de vida nova no livro do tempo. Aquilo que

colocarmos nela, corre por nossa conta...”

Chico Xavier

“Só uma coisa torna um sonho impossível: o medo de fracassar!”

Paulo Coelho

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DEDICATÓRIA

Dedico esta dissertação aos meus pais Célia e Leandro que nunca deixaram de me apoiar

e orar por mim ao longo de toda a minha caminhada e ao meu esposo Leonardo Leite por

sempre estar ao meu lado me incentivando e encorajando a enfrentar todas as

dificuldades.

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AGRADECIMENTOS

A Deus, por sempre guiar meus passos, dando força e coragem para eu nunca desistir dos

meus objetivos.

Aos meus pais Célia e Leandro e meu irmão Marcelo, por sempre orarem e torcerem por

mim.

Ao meu esposo Leonardo Leite, pelo amor, incentivo, companheirismo e compreensão. A

você, dedico o meu amor eterno.

À empresa Pimenta de Ávila Consultoria, que desde 2012 tem sido uma verdadeira escola

para mim. Em especial àqueles que compartilharam seu conhecimento e contribuíram

muito para a realização deste trabalho: Dr. Joaquim Pimenta, João Pimenta, Kellen Nery

e Rodrigo Rodrigues.

Às empresas Alunorte e Companhia Brasileira de Alumínio (CBA) por permitirem a

utilização de dados para realização desta pesquisa.

Aos grandes amigos Karla Maia, Andréa Portes e Ângelo Toffolo. Vocês foram muito

importantes em mais essa conquista.

Ao meu Professor e Orientador Dr. Romero Gomes, pelos ensinamentos e por ser a

referência para que eu seguisse a área de Geotecnia.

Ao meu filho Lorenzo que em breve conhecerei seu rostinho e que já o amo

incondicionalmente. Você é a razão da minha vida!

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RESUMO

É cada vez mais crescente a geração mundial de resíduos provenientes do beneficiamento

industrial, o que leva as empresas a uma busca incessante por novas tecnologias, aliadas à

segurança, que minimizem os impactos ambientais causados por elas. Diante de

catástrofes econômicas e ambientais causadas por acidentes em estruturas geotécnicas na

área de mineração e, consequentes dificuldades de obtenção de novos licenciamentos,

vêm sendo estudadas novas alternativas de disposição de resíduos.

Uma dessas alternativas, apresentada nesse trabalho, é a utilização de filtros prensa para

filtragem dos resíduos proveniente da produção de alumina (lama vermelha), em

substituição à atual técnica de disposição mais utilizada que ainda é a via úmida, ou seja,

a disposição da lama com baixo teor de sólidos em diques ou barragens de resíduos. Essa

tecnologia aumenta significativamente o teor de sólidos do material, reduzindo a área de

disposição e minimizando os impactos em caso de ruptura, além de facilitar a

recuperação da área por meio da revegetação e aumentar a vida útil de estruturas já

existentes.

O presente estudo contempla a proposição de dois arranjos de sistemas de disposição em

pilhas de resíduo de alumina desaguado por filtro prensa. O primeiro arranjo foi

desenvolvido sobre uma barragem de resíduo na região sudeste do Brasil e o segundo

sobre um depósito de resíduo na região norte do Brasil.

Para avaliação da viabilidade dos arranjos propostos e definição dos critérios de projeto,

tais como, aspectos ambientais, áreas de disposição, geometrias, entre outros, foi

realizada a caracterização geotécnica dos resíduos e das fundações que receberão as

pilhas e, posteriormente, análises de estabilidade determinísticas e probabilísticas para

obtenção dos fatores de segurança e probabilidades de ruptura. Esse tipo de avaliação tem

sido cada vez mais exigido pelas empresas e adotado no desenvolvimento de projetos, por

considerar as incertezas e a variabilidade dos parâmetros utilizados no dimensionamento.

Ao final do trabalho foi sugerida uma nova metodologia de disposição aproveitando áreas

de disposição de resíduos já existentes.

Palavras Chaves: alumina, lama vermelha, filtro prensa, resíduo filtrado, sistemas de disposição,

análise probabilística.

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ABSTRACT

It is increasingly growing global generation of waste from industrial processing, which

leads companies to a constant search for new technologies, combined with safety, to

minimize environmental impacts caused by them. Faced with economic and

environmental disasters caused by accidents in geotechnical structures in the mining area

and consequent difficulties in obtaining new licenses have been studied new waste

disposal alternatives.

One of these alternatives, presented in this study is the use of filter presses for filtering

waste from the alumina production (red mud), replacing the current most widely used

disposal technique that is still wet, ie, the provision of sludge with low solids in waste

dikes or dams. This technology significantly increases the solids content of the material,

reducing the area available, and minimizing the impact in case of failure, and facilitate

recovery area through reforestation and increase the life of existing structures.

This study includes the proposition of two arrangements disposal systems in dewatered

alumina waste piles by filter press. The first arrangement was developed over a waste

dam in southeastern Brazil and the second on a waste deposit in northern Brazil.

To evaluate the viability of the proposed arrangements and defining the design criteria,

such as environmental, disposal areas, geometries, among others, was made the

geotechnical characterization of waste and foundations that receive the piles and,

posteriorly, deterministic and probabilistic stability analysis to obtain the safety factors

and failure probabilities. This type of evaluation has been increasingly demanded by

companies and adopted in development projects, considering the uncertainties and

variability of the parameters used in the design.

At the end of the work a new provision methodology taking advantage of available areas

of existing waste was suggested.

Key Words: alumina, red mud, filter press, filtered waste, disposal systems, probabilistic

analysis.

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Lista de Figuras

Figura 1.1 - Tendências no uso de rejeitos desaguados na mineração (Fonte: adaptado de

Davies, 2011).......................................................................................................................2

Figura 2.1 – Disponibilidade do alumínio na crosta terrestre (Fonte: European Aluminium

Association, 2015)...............................................................................................................8

Figura 2.2 – Produção de alumínio primário no mundo - 2012 (Fonte: European

Aluminium Association, 2015)............................................................................................8

Figura 2.3 – Diagrama simplificado do sistema Bayer para produção de alumina a partir

da bauxita (Fonte: Silva Filho et al., 2007)..........................................................................9

Figura 2.4 – Digestores (Fonte: Souza, 2010)...................................................................10

Figura 2.5 – Decantador (Fonte: Souza, 2010)..................................................................11

Figura 2.6 – Filtros para separação da lama vermelha (Fonte: Souza, 2010)....................11

Figura 2.7 – Precipitadores de hidrato de alumínio (Fonte: Souza, 2010).........................12

Figura 2.8 – Calcinadores de alumina alfa (Fonte: Souza, 2010)......................................12

Figura 2.9 – Bauxita, alumina e alumínio (Fonte: IAI - International Aluminium Institute,

2015)..................................................................................................................................13

Figura 2.10 – Produção de alumina no mundo (Fonte: IAI – International Aluminium

Institute, 2015)...................................................................................................................14

Figura 2.11 – Difratograma da lama vermelha da região sudeste do Brasil (Fonte: Villar,

2002)..................................................................................................................................16

Figura 2.12 - Barragem do Marzagão – Aditya Birla Hindalco em Ouro Preto / MG.

Lançamento contínuo de polpa..........................................................................................18

Figura 2.13 – Depósito de resíduo de lama vermelha da Alumar, Ilha de São Luís – MA.

Processo de lançamento com secagem...............................................................................19

Figura 2.14 – Disposição de lama vermelha da Alunorte, (Barcarena – PA). Rejeito

filtrado por filtro tambor....................................................................................................20

Figura 2.15 – Princípio de filtragem (Fonte: UFOP, 2004 – Espessamento e Filtragem).21

Figura 2.16 – Desenho esquemático do sistema de filtragem à vácuo (Guimarães,

2011)..................................................................................................................................25

Figura 2.17 – Fluxograma das classes dos filtros a vácuo (adaptado de Nery, 2013).......25

Figura 2.18 – Exemplo de filtro tambor rotativo (Araxá – MG).......................................28

x

Figura 2.19 – Representação esquemática de um filtro de disco convencional (Amarante,

2002)..................................................................................................................................29

Figura 2.20 – Ciclo de filtragem no filtro de disco convencional (Guimarães, 2011).......30

Figura 2.21 – Filtro de disco convencional (Amarante, 2002)..........................................30

Figura 2.22 – Filtro horizontal de mesa (Fonte: Apostila UFG, 2013 – Separação sólido

líquido)...............................................................................................................................31

Figura 2.23 – Filtro horizontal de mesa (Araxá – MG).....................................................32

Figura 2.24 – Filtro horizontal de correia (Fonte: Apostila UFG, 2013 – Separação sólido

líquido)...............................................................................................................................32

Figura 2.25 – Filtro horizontal de correia (Amarante, 2002).............................................33

Figura 2.26 – Filtro prensa de placas verticais – 1000 mm x 1000 mm e tortas com

espessura de 30 mm. (Fonte: http://www.grabe.com.br/filtroprensa)................................34

Figura 2.27 – Ciclo de operação dos filtros prensa com placas tipo câmara (Guimarães,

2011)..................................................................................................................................35

Figura 2.28 – Ciclo de operação dos filtros prensa com placas tipo diafragma (adaptado

de Andritz, 2013)...............................................................................................................36

Figura 2.29 – Filtro prensa de placas horizontais (Amarante, 2002).................................37

Figura 2.30 – Ciclo de um filtro de pressão vertical (Fonte: Larox).................................37

Figura 2.31 – Empilhamento a seco de rejeitos usando o transporte de caminhão

(Fonte: http://www.tailings.info).......................................................................................42

Figura 2.32 – Distribuições estatísticas com diferentes médias e desvio padrão do fator de

segurança (Christian et al., 1994)......................................................................................44

Figura 2.33 – Valores toleráveis de probabilidade de ruptura (Baecher (1982) / Whitman

(1984) apud Baecher & Christian (2003)).........................................................................45

Figura 2.34 – Método Monte Carlo (Maia & Assis, 2004)................................................50

Figura 2.35 – Esquema do Procedimento de Cálculo do Método Rosenblueth

(Rocscience, 2013).............................................................................................................52

Figura 2.36 – Combinação (2n) dos Pontos Particulares Xi+ e Xi- (Maia, 2003).............52

Figura 3.1 – Companhia Brasileira de Alumínio, município de Alumínio – SP...............53

Figura 3.2 – Resumo esquemático do processo de fabricação de alumina da CBA..........54

Figura 3.3 – Localização da Barragem Palmital (Fonte: Google Earth, 2014)..................55

Figura 3.4 – Vista geral da Barragem Palmital (Fonte: CBA, 2013).................................56

xi

Figura 3.5 – Comparação entre os resíduos de disposição úmida e seca (Fonte: CBA,

2013)..................................................................................................................................57

Figura 3.6 – Simulação da formação da pilha teste de resíduo filtrado da CBA (Nery,

2013)..................................................................................................................................58

Figura 3.7 – Compactação do resíduo nas valas com a escavadeira de esteira Doosan

SOLAR255LC-V (Nery et. al, 2013)................................................................................59

Figura 3.8 – Curvas granulométricas dos blocos e amostras deformadas da área teste da

CBA...................................................................................................................................61

Figura 3.9 – Carta de plasticidade dos blocos e amostras deformadas da área teste da

CBA...................................................................................................................................62

Figura 3.10 – Curvas de compactação das amostras deformadas do resíduo filtrado da

CBA...................................................................................................................................63

Figura 3.11 – Gráfico da poropressão versus tensão vertical total obtido pelo ensaio PN

nos corpos de prova moldados para diferentes condições de compactação (Nery,

2013)..................................................................................................................................67

Figura 3.12 – Locação dos pontos especificados versus executados na Barragem

Palmital..............................................................................................................................69

Figura 3.13 – γ x profundidade - CPTu 01 ao 04 e Ensaios de Laboratório......................71

Figura 3.14 – Variação das tensões totais (σv), efetivas (σ’v) e da poropressão (u) com a

profundidade CPTu-01 e 02...............................................................................................72

Figura 3.15 – Variação das tensões totais (σv), efetivas (σ’v) e da poropressão (u) com a

profundidade CPTu-03 e 04...............................................................................................73

Figura 3.16 – Su x profundidade – CPTu-04, VT-04 e Triaxial UU.................................74

Figura 3.17 – Su x profundidade e Su x σ’v para amostras na condição indeformada –

Ensaios VT-01 ao 04..........................................................................................................75

Figura 3.18 – Su x profundidade – Ensaios CPTu-01 ao 04 e VT-01 ao 04......................75

Figura 3.19 – Su x profundidade e Su x σ’v para amostras na condição amolgada –

Ensaios VT-01 ao 04..........................................................................................................76

Figura 3.20 – M x σ’v – CPTu-01 ao 04 e Ensaio de Adensamento..................................77

Figura 3.21 – Cv e Ch x σ’v – CPTu-01 ao 04 e Ensaio de Adensamento.........................78

Figura 4.1 – Alunorte do Brasil S.A. em Barcarena – PA.................................................80

Figura 4.2 – Vista geral do DRS1 em operação (Fonte: Google Earth, 2014)..................82

xii

Figura 4.3 – Vista aérea do DRS1 em operação (Foto: data 17/07/2010).........................83

Figura 4.4 – Área dos ensaios geotécnicos da área teste da Alunorte...............................85

Figura 4.5 – Simulação da formação da pilha teste de resíduo filtrado da Alunorte.........87

Figura 4.6 – Conformação final da pilha de resíduo disposta em seu ângulo de repouso.87

Figura 4.7 – Vista do resíduo filtrado de granulometria grosseira.....................................88

Figura 4.8 – Vista do resíduo filtrado de granulometria média.........................................89

Figura 4.9 – Vista do processo de espalhamento/compactação – Etapa 1.........................90

Figura 4.10 – Vista do processo de umedecimento/homogeneização – Etapa 2...............90

Figura 4.11 – Ensaio para determinação da densidade “in situ” (hilf)...............................91

Figura 4.12 – Ensaio para determinação da umidade e Grau de Compactação (GC)........91

Figura 4.13 – Curvas granulométricas das amostras do resíduo da Alunorte....................94

Figura 4.14 – Carta de plasticidade das amostras do resíduo da Alunorte........................95

Figura 4.15 – Curva de compactação de amostra do resíduo da Alunorte.........................96

Figura 4.16 – Gráfico da poropressão versus tensão vertical total obtido pelo ensaio PN

nos corpos de prova moldados para diferentes condições de compactação.......................98

Figura 4.17 – Locação dos pontos (ilhas de investigação) dos ensaios de campo...........100

Figura 4.18 – x profundidade – Região Norte...............................................................102

Figura 4.19 – x profundidade – Região Sul...................................................................102

Figura 4.20 – x profundidade – Região Oeste...............................................................103

Figura 4.21 – x profundidade – Região Norte/Leste.....................................................103

Figura 4.22 – x profundidade – Região Sul/Leste.........................................................104

Figura 4.23 – Su x ’v e Su x profundidade – Região Norte..........................................106

Figura 4.24 – Su x ’v e Su x profundidade – Região Sul..............................................106

Figura 4.25 – Su x ’v e Su x profundidade – Região Oeste..........................................107

Figura 4.26 – Su x ’v e Su x profundidade – Região Norte/Leste.................................107

Figura 4.27 – Su x ’v e Su x profundidade – Região Sul/Leste....................................108

Figura 4.28 – Su x ’v e Su x profundidade – Junção de todos os ensaios Vane Test....108

Figura 4.29 – Variação dos valores de SPT em função da profundidade........................109

Figura 4.30 – M x ’v – Região Norte.............................................................................111

Figura 4.31 – M x ’v – Região Sul.................................................................................111

Figura 4.32 – M x ’v – Região Oeste.............................................................................112

Figura 4.33 – M x ’v – Região Norte/Leste...................................................................112

xiii

Figura 4.34 – M x ’v – Região Sul/Leste.......................................................................113

Figura 4.35 – cv e ch x ’v – Região Norte......................................................................114

Figura 4.36 – cv e ch x ’v – Região Sul..........................................................................115

Figura 4.37 – cv e ch x ’v – Região Oeste......................................................................115

Figura 4.38 – cv e ch x ’v – Região Norte/Leste............................................................116

Figura 4.39 – cv e ch x ’v – Região Sul/Leste................................................................116

Figura 5.1 – Vista do talude de montante da barragem principal (Foto CBA, 2013)......119

Figura 5.2 – Precipitação média mensal do município de Alumínio – SP.......................120

Figura 5.3 – Indicação das seções das análises de estabilidade realizadas......................123

Figura 5.4 – Seções A-A e B-B - Análise de Estabilidade Determinística – Cobertura com

resíduo do filtro prensa – FS = 1,75.................................................................................124

Figura 5.5 – Seções C-C e D-D - Análise de Estabilidade Determinística – Cobertura com

resíduo do filtro prensa – FS = 1,70.................................................................................124

Figura 5.6 – Porcentagens de influência das variáveis aleatórias na variação do Fator de

Segurança das Seções A-A e B-B....................................................................................129

Figura 5.7 – Porcentagens de influência das variáveis aleatórias na variação do Fator de

Segurança das Seções C-C e D-D....................................................................................130

Figura 5.8 – Histograma do Fator de Segurança – FSmédio probab. = 1,699; Pf =

0,008%.............................................................................................................................132

Figura 5.9 – Distribuição Acumulada do Fator de Segurança.........................................132

Figura 5.10 – Histograma da taxa de aumento da resistência não drenada da fundação.133

Figura 5.11 – Histograma do Fator de Segurança – FSmédio probab. = 1,704; Pf = 0,0385%

(obtido por cálculo em planilha de Excel).......................................................................133

Figura 5.12 – Distribuição Acumulada do Fator de Segurança.......................................134

Figura 5.13 – Histograma do ângulo de atrito do resíduo filtrado “seco”.......................134

Figura 5.14 – Seções A-A e B-B – FS obtidos pelas combinações realizadas................135

Figura 5.15 – Seções C-C e D-D – FS obtidos pelas combinações realizadas................135

Figura 5.16 – Planejamento da disposição do resíduo de alumina produzido pelo Filtro

Prensa (Modificado CBA, 2014).....................................................................................137

Figura 5.17 – Configuração final do arranjo proposto para a Barragem Palmital – Detalhe

da área úmida...................................................................................................................137

xiv

Figura 5.18 – Configuração final do arranjo proposto para a Barragem Palmital –

Descomissionamento.......................................................................................................138

Figura 5.19 – Configuração final do arranjo proposto – Seções A-A e B-B

(maciços/praias)...............................................................................................................138

Figura 5.20 – Configuração final do arranjo proposto – Seções C-C e D-D (margens)..139

Figura 6.1 – Configuração inicial do DRS1.....................................................................141

Figura 6.2 – Precipitação média mensal - Estação Vila do Conde..................................142

Figura 6.3 – Localização da seção analisada...................................................................145

Figura 6.4 – Análise de Estabilidade Determinística – Cobertura com resíduo do filtro

prensa – FS = 1,55...........................................................................................................146

Figura 6.5 – Análise de Estabilidade Determinística – Cobertura com resíduo do filtro

prensa – Detalhe...............................................................................................................147

Figura 6.6 – Porcentagens de influência das variáveis aleatórias na variação do Fator de

Segurança da seção típica da Alunorte............................................................................151

Figura 6.7 – Histograma do Fator de Segurança – FSmédio probab. = 1,552; Pf =

7,58%...............................................................................................................................152

Figura 6.8 – Distribuição Acumulada do Fator de Segurança.........................................153

Figura 6.9 – Histograma da taxa de aumento da resistência não drenada da fundação...153

Figura 6.10 – FS obtidos pelas combinações realizadas..................................................154

Figura 6.11 – Arranjo proposto para o DRS1 – (1) Do lado esquerdo detalhe da área

úmida e (2) Do lado direito a configuração final do arranjo............................................155

Figura 6.12 – Configuração final do arranjo proposto – Seção analisada.......................156

xv

Lista de Tabelas

Tabela 2.1 – Composição da lama vermelha para diversos tipos de bauxita (Fonte: Silva

Filho et al., 2007)...............................................................................................................16

Tabela 2.2 – Mecanismos de filtragem e os principais fornecedores (Guimarães, 2011).21

Tabela 2.3 – Resumo das principais unidades de rejeito filtrado do mundo (adaptado de

Ulrich e Coffin, 2013 – publicado no Paste 2013).............................................................23

Tabela 2.4 – Tipos de filtros sob pressão...........................................................................34

Tabela 2.5 – Valores Típicos de Coeficiente de Variação Segundo Assis et al. (2001)....46

Tabela 3.1 – Graus de Compactação (GC) obtidos em campo para cada número de

passadas do equipamento de esteiras.................................................................................59

Tabela 3.2 – Peso específico natural para cada número de passadas do equipamento de

esteiras................................................................................................................................60

Tabela 3.3 – Resultados dos ensaios de permeabilidade à carga variável (Nery, 2013)...64

Tabela 3.4 – Resultados dos ensaios de adensamento unidimensional (Nery, 2013)........64

Tabela 3.5 – Parâmetros de resistência (Nery, 2013)........................................................66

Tabela 4.1 – Resultados dos ensaios de compactação de laboratório com resíduo filtro

prensa.................................................................................................................................91

Tabela 4.2 – Resultados dos ensaios de campo da camada compactada – resíduo filtro

prensa.................................................................................................................................92

Tabela 4.3 – Peso específico natural do resíduo da Alunorte............................................94

Tabela 4.4 – Resultados dos ensaios de permeabilidade à carga variável.........................96

Tabela 4.5 – Resultados dos ensaios de adensamento unidimensional..............................97

Tabela 4.6 – Parâmetros de resistência do resíduo da Alunorte........................................97

Tabela 4.7 – Correlações entre resistência não drenada e tensão vertical efetiva...........105

Tabela 4.8 – Parâmetros de resistência obtidos dos ensaios SPT....................................109

Tabela 4.9 – Correlações entre módulo confinante e tensão vertical efetiva...................110

Tabela 4.10 – Valores médios obtidos para os coeficientes de adensamento..................114

Tabela 5.1 – Precipitação média mensal - Estação Mairinque........................................121

Tabela 5.2 – Parâmetros geotécnicos médios dos materiais, Desvio padrão, Distribuição

estatística e valores mínimos e máximos adotados nas análises da CBA para o método

Monte Carlo.....................................................................................................................126

xvi

Tabela 5.3 – Método FOSM – Valores de FS obtidos – Seções A-A e B-B...................128

Tabela 5.4 – Análise do FS utilizando o Método FOSM – Seções A-A e B-B...............128

Tabela 5.5 – Método FOSM – Valores de FS obtidos em cada análise – Seções C-C e D-

D.......................................................................................................................................129

Tabela 5.6 – Análise do FS utilizando o Método FOSM – Seções C-C e D-D...............130

Tabela 5.7 – Instabilidade do arranjo proposto para a empresa CBA - Resumo dos

Resultados das Análises Probabilísticas..........................................................................136

Tabela 6.1 – Precipitação média mensal - Estação Vila do Conde.................................143

Tabela 6.2 – Parâmetros geotécnicos médios dos materiais, Desvio padrão, Distribuição

estatística e valores mínimos e máximos adotados nas análises da Alunorte para o método

Monte Carlo.....................................................................................................................148

Tabela 6.3 – Método FOSM – Valores de FS obtidos – Seção típica da Alunorte..........149

Tabela 6.4 – Análise do FS utilizando o Método FOSM – Seção típica da Alunorte.....150

Tabela 6.5 – Instabilidade do arranjo proposto para a empresa Alunorte - Resumo dos

Resultados das Análises Probabilísticas..........................................................................154

Tabela 7.1 – Tabela Resumo – Dados comparativos dos estudos de caso......................159

Tabela 7.2 – Principais resultados obtidos dos estudos de caso......................................161

xvii

Lista de Símbolos, Nomenclatura e Abreviações

ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas

av: coeficiente de compressibilidade

: relação entre a poropressão e a tensão principal maior

CBA: Companhia Brasileira de Alumínio

CPTu: piezocone penetration test

c: coesão em termos de tensões totais

c’: coesão em termos de tensões efetivas

Cc: índice de compressão

Cr: índice de recompressão

CR: Cc/(1+ei)

Ch: coeficiente de adensamento horizontal

Cv: coeficiente de adensamento vertical

CV: coeficiente de variação

DRS: Depósito de Resíduos Sólidos

e: índice de vazios

e0: índice de vazios inicial

E [F]: valor médio esperado para FS

FOSM: First Order Second Moment

FS: Fator de Segurança

GC: Grau de compactação

H0: altura inicial do corpo de prova

IAI: International Aluminium Institute

IBRAM: Instituto Brasileiro de Mineração

K-S: Kolmogorov-Smirnov

k: coeficiente de permeabilidade

M: número de vezes em que a força resistente excedeu as forças atuantes (ou seja, em que

o fator de segurança foi maior que 1,0).

M: módulo confinante

MBP: Mineração Bauxita Paragominas

MRN: Mineração Rio do Norte

xviii

mv: coeficiente de compressibilidade volumétrica

NBR: Norma Brasileira

P: precipitação diária

pa: pressão atmosférica

Pa: Pascal

Pf: probabilidade de ruptura

pH: potencial hidrogeniônico

PN: pressão neutra

R: Risco

RFP: resíduo do filtro prensa

RFT: resíduo do filtro tambor

Rf : razão de atrito =(fs/qt) 100%

Ru: parâmetro de poropressão

S: grau de saturação

SPT: standard penetration test

Su: resistência não drenada

TS: teor de sólidos

u: poropressão

UFG: Universidade Federal de Goiás

UFOP: Universidade Federal de Ouro Preto

UU: não consolidado, não drenado

V [F]: variância de FS, igual ao quadrado do seu desvio padrão

V [xi]: variância de cada um dos xi

VT: Vane Test

𝑋�̅�: valor médio da distribuição da variável xi

w: teor de umidade

wót: umidade ótima obtida do ensaio de compactação na energia Proctor Normal

i: desvio padrão da distribuição da variável xi

: desvio padrão

σ3: tensão normal principal menor

σ1: tensão normal principal maior

σ’p: tensão normal efetiva de pré-adensamento

xix

σ’v: tensão normal efetiva vertical

: média

F: variação de FS que ocorre quando se variam de um valor igual a xi cada um dos n

parâmetros xi

xi: taxa de variação das variáveis envolvidas no estudo

γ: peso específico natural

γs: peso específico dos grãos

w peso específico da água

φ: ângulo de atrito em termos de tensões totais

φ’: ângulo de atrito em termos de tensões efetivas

xx

Índice

CAPÍTULO 1 ................................................................................................................................................... 1

INTRODUÇÃO ................................................................................................................................................ 1

1.1– CONSIDERAÇÕES INICIAIS ................................................................................................................. 1

1.2 – OBJETIVOS DA DISSERTAÇÃO .......................................................................................................... 3

1.3 – ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ........................................................................................................ 5

CAPÍTULO 2 ................................................................................................................................................... 7

CONCEPÇÕES E PREMISSAS DE SISTEMAS DE DISPOSIÇÃO EM PILHAS DE RESÍDUOS

DE ALUMINA ................................................................................................................................................. 7

2.1 – O ALUMÍNIO .......................................................................................................................................... 7

2.2 – PROCESSO DE PRODUÇÃO DA ALUMINA ....................................................................................... 9

2.3 – RESÍDUO GERADO NA PRODUÇÃO DE ALUMINA ...................................................................... 14

2.4 – SISTEMAS DE DISPOSIÇÃO DE REJEITOS/RESÍDUOS FINOS .................................................... 17

2.5 – REJEITOS/RESÍDUOS FILTRADOS ................................................................................................... 20

2.5.1 – TIPOS DE FILTROS ..................................................................................................................... 23

2.5.1.1 – FILTROS À VÁCUO .................................................................................................................. 24

2.5.1.2 – FILTROS SOB PRESSÃO ......................................................................................................... 33

2.6 – CONDICIONANTES DOS SISTEMAS DE DISPOSIÇÃO DE REJEITOS / RESÍDUOS

FILTRADOS ................................................................................................................................................... 39

2.6.1 – ASPECTOS DE PROJETO E DE CONSTRUÇÃO ...................................................................... 39

2.6.2 – VANTAGENS E DESVANTAGENS DA TECNOLOGIA DE FILTRAGEM DE

REJEITOS/RESÍDUOS ............................................................................................................................. 41

2.7 – ABORDAGEM PROBABILÍSTICA ..................................................................................................... 43

2.7.1 – MÉTODO FOSM ........................................................................................................................... 47

2.7.2 – MÉTODO MONTE CARLO ......................................................................................................... 48

2.7.3 – MÉTODO DOS PONTOS DE ESTIMATIVA OU ROSENBLUETH ......................................... 51

CAPÍTULO 3 ................................................................................................................................................. 53

PRODUÇÃO, GERAÇÃO E DISPOSIÇÃO DOS RESÍDUOS DE ALUMINA DA CBA ..................... 53

xxi

3.1 – INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................... 53

3.2 – DISPOSIÇÃO DOS RESÍDUOS DE ALUMINA DA CBA .................................................................. 55

3.3 – CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA DOS RESÍDUOS DE ALUMINA DA CBA .......................... 56

3.3.1 – RESÍDUO FILTRADO .................................................................................................................. 56

3.3.1.1 – PRINCIPAIS RESULTADOS – ENSAIOS GEOTÉCNICOS DE CAMPO E

LABORATORIAIS .................................................................................................................................... 58

3.3.2 – MATERIAL DE FUNDAÇÃO ...................................................................................................... 67

3.3.2.1 – PROGRAMAÇÃO DAS INVESTIGAÇÕES E ENSAIOS LABORATORIAIS ...................... 68

CAPÍTULO 4 ................................................................................................................................................. 80

PRODUÇÃO, GERAÇÃO E DISPOSIÇÃO DOS RESÍDUOS DE ALUMINA DA ALUNORTE ....... 80

4.1 – INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................... 80

4.2 – DISPOSIÇÃO DOS RESÍDUOS DE ALUMINA DA ALUNORTE .................................................... 81

4.3 – CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA DOS RESÍDUOS DE ALUMINA DA ALUNORTE ............. 84

4.3.1 – RESÍDUO FILTRADO .................................................................................................................. 84

4.3.1.1 – PRINCIPAIS RESULTADOS – ENSAIOS GEOTÉCNICOS DE CAMPO E

LABORATORIAIS .................................................................................................................................... 85

4.3.2 – MATERIAL DE FUNDAÇÃO ...................................................................................................... 99

4.3.2.1 – PROGRAMAÇÃO DAS INVESTIGAÇÕES E ENSAIOS LABORATORIAIS ...................... 99

4.3.2.2 – PRINCIPAIS RESULTADOS – ENSAIOS GEOTÉCNICOS DE CAMPO E

LABORATORIAIS .................................................................................................................................. 101

CAPÍTULO 5 ............................................................................................................................................... 118

CRITÉRIOS E METODOLOGIAS DE PROJETO PARA PILHAS DE RESÍDUOS DE ALUMINA

DA CBA ........................................................................................................................................................ 118

5.1 – INTRODUÇÃO .................................................................................................................................... 118

5.2 – CARACTERIZAÇÃO PLUVIOMÉTRICA DA REGIÃO .................................................................. 119

5.3 – BALANÇO DE MASSAS .................................................................................................................... 122

5.4 – ANÁLISES DE ESTABILIDADE ....................................................................................................... 122

5.4.1 – ANÁLISES DETERMINÍSTICAS .............................................................................................. 123

5.4.2 – ANÁLISES PROBABILÍSTICAS ............................................................................................... 125

5.4.2.1 – MÉTODO FOSM ...................................................................................................................... 127

xxii

5.4.2.2 – MÉTODO MONTE CARLO .................................................................................................... 131

5.4.2.3 – ROSENBLUETH ...................................................................................................................... 134

5.5 – CONFIGURAÇÃO FINAL DO ARRANJO PROPOSTO ................................................................... 136

CAPÍTULO 6 ............................................................................................................................................... 140

CRITÉRIOS E METODOLOGIAS DE PROJETO PARA PILHAS DE RESÍDUOS DE ALUMINA

DA ALUNORTE .......................................................................................................................................... 140

6.1 – INTRODUÇÃO .................................................................................................................................... 140

6.2 – CARACTERIZAÇÃO PLUVIOMÉTRICA DA REGIÃO .................................................................. 141

6.3 – BALANÇO DE MASSAS .................................................................................................................... 144

6.4 – ANÁLISES DE ESTABILIDADE ....................................................................................................... 144

6.4.1 – ANÁLISES DETERMINÍSTICAS .............................................................................................. 145

6.4.2 – ANÁLISES PROBABILÍSTICAS ............................................................................................... 148

6.4.2.1 – MÉTODO FOSM ...................................................................................................................... 149

6.4.2.2 – MÉTODO MONTE CARLO .................................................................................................... 152

6.4.2.3 – ROSENBLUETH ...................................................................................................................... 153

6.5 – CONFIGURAÇÃO FINAL DO ARRANJO PROPOSTO ................................................................... 155

CAPÍTULO 7 ............................................................................................................................................... 157

7.1 – CONCLUSÕES .................................................................................................................................... 157

7.2 – SUGESTÕES PARA PESQUISAS COMPLEMENTARES ............................................................... 164

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................................................................................... 166

1

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

1.1– CONSIDERAÇÕES INICIAIS

Com o frequente crescimento da exploração mineral, os rejeitos são consequências

inevitáveis dos processos de tratamento a que são submetidos os minérios, sendo gerados,

paralelamente, ao produto de interesse. Esses rejeitos, que são produzidos em grande

quantidade, afetam de forma qualitativa e quantitativa o meio ambiente. Por este motivo,

essa grande produção de rejeitos tem gerado uma preocupação cada vez maior nas

empresas, que buscam minimizar os impactos ambientais aliados à segurança, adotando

metodologias de disposição que otimizem a redução de áreas para estocagem e recuperação

de água do processo. Uma dessas metodologias é a filtragem ou o espessamento dos

rejeitos.

O conjunto de leis ambientais também motiva a busca por uma prática de minerar cada vez

mais moderna e sustentável, adequando as práticas atuais às situações legais, reduzindo

assim os impactos gerados por essa atividade.

O conceito de disposição de rejeitos espessados foi introduzido por Robinsky em 1968 e

consiste no aumento da concentração de sólidos em peso, por meio do desaguamento da

polpa. Neste processo são utilizados os espessadores ou os filtros, que possuem a função de

separar os sólidos do líquido via processo mecânico.

Davies (2011) menciona que a técnica de filtragem de rejeitos está se tornando cada vez

mais comum em muitas minas no mundo. De acordo com o autor, existem mais pilhas de

rejeitos filtrados dispostos em superfície do que disposição de rejeitos em forma de pasta.

A Figura 1.1 apresenta o número de instalações de rejeitos espessados numa escala global.

2

Figura 1.1 - Tendências no uso de rejeitos desaguados na mineração (Fonte: adaptado de

Davies, 2011)

Uma das grandes vantagens da disposição de rejeitos filtrados é a facilidade da

recuperação da área através da revegetação. Davies (2004) cita que é possível iniciá-la

desde o começo da vida útil da estrutura, o que contribuirá também para o controle de

poeira e da erosão.

De acordo com Access Mining Consultants (2003), com relação à recuperação e

revegetação de rejeitos filtrados, estes não são considerados mais desafiadores do que os

outros tipos de rejeitos dispostos. Projetos de cobertura adequados e estáveis são sempre

um desafio e o sucesso da revegetação, no caso de rejeitos filtrados, não foi ainda

caracterizado devido ao número limitado de operações e também devido à escassez de

informação a esse respeito.

A principal proposta da pesquisa aqui apresentada corresponde ao desenvolvimento de

critérios de projeto para disposição, por meio de pilhas, de resíduos provenientes da

produção de alumina (lama vermelha) e desaguado por filtro prensa, de forma a

proporcionar melhores condições quanto aos aspectos de segurança e ambientais. Como

base do estudo, foi realizada a caracterização dos resíduos e das fundações que receberão

as pilhas, definindo assim, suas propriedades e comportamento geotécnico.

3

Os resíduos estudados são oriundos da Empresa CBA – Companhia Brasileira de

Alumínio, localizada no Estado de São Paulo e da Empresa ALUNORTE - Alumina do

Norte do Brasil S. A., localizada no Estado do Pará. Para as duas empresas, foi realizada

uma área teste e os ensaios geotécnicos foram conduzidos em amostras deformadas do

resíduo, coletadas na saída do filtro prensa piloto, após o término do período de calibração

do filtro quanto às condições de teor de sólidos e teor de soda da “torta” requeridas pelas

empresas. Após a compactação do resíduo, foram coletadas amostras indeformadas para

realização de mais ensaios geotécnicos.

Deve-se ressaltar que, para a CBA foi estudado o empilhamento do resíduo desaguado

sobre uma de suas barragens de resíduos e para a Alunorte, foi considerado que o resíduo

desaguado será disposto sobre um de seus depósitos de resíduos.

As duas empresas mencionadas produzem um grande volume de lama vermelha o que

pode acarretar graves consequências ambientais na região onde estão instaladas, em caso

de ruptura de suas atuais estruturas de disposição de resíduo.

Cabe esclarecer que, ao longo de todo o texto dessa dissertação é diferenciado o termo

rejeito do termo resíduo. O termo rejeito é sempre utilizado para se referir ao material

descartado proveniente da extração do minério na mineração. O termo resíduo se refere ao

material descartado após o beneficiamento do minério na refinaria. Tanto a CBA, quanto a

Alunorte beneficiam o minério bauxita para extrair a alumina em suas refinarias. Esse

processo gera o resíduo denominado de lama vermelha que é descartado em suas atuais

estruturas de disposição.

1.2 – OBJETIVOS DA DISSERTAÇÃO

Após a filtragem da lama vermelha em filtros prensa, o resíduo apresenta o aspecto de

“tortas”, com estrutura densa e com teor de sólidos elevado. Isto possibilita a disposição

deste resíduo em pilhas, compactando o material de forma a ocupar menores áreas para

disposição quando comparada ao método convencional. O objetivo geral do estudo

4

proposto é desenvolver critérios de projeto de sistemas de disposição em pilhas de resíduos

provenientes da produção de alumina. As duas metodologias avaliadas e comparadas são:

Disposição de uma pilha de resíduo desaguado por filtro prensa sobre uma

barragem de resíduo na região sudeste do Brasil;

Disposição de uma pilha de resíduo desaguado por filtro prensa sobre um depósito

de resíduos na região norte do Brasil.

São objetivos específicos deste trabalho:

Contextualizar o problema;

Elaborar revisão bibliográfica visando os critérios de projetos existentes para

empilhamentos de rejeito, uso da tecnologia de rejeitos filtrados, além de aspectos

relacionados aos resíduos de alumina (lama vermelha);

Analisar ensaios laboratoriais e de campo do resíduo para conhecimento e

determinação das características geotécnicas das duas pilhas e também das duas

fundações (barragem e depósito de resíduo);

Elaborar e estudar arranjo das pilhas do resíduo desaguado pelo filtro prensa, sobre

as fundações (barragem e depósito de resíduo);

Avaliar os aspectos construtivos e ambientais dos arranjos propostos. Serão

estudadas regiões nas pilhas onde deverá ser lançado o resíduo saturado

proveniente do período chuvoso;

Aplicar métodos probabilísticos nas análises de estabilidade para a consideração da

variabilidade dos parâmetros geotécnicos e determinação da probabilidade de

ruptura dos taludes de cada arranjo;

Fazer recomendações de fechamento para os arranjos estudados, de forma a

minimizar os impactos ambientais causados;

Analisar e sintetizar de forma geral os estudos realizados no referido trabalho de

pesquisa.

5

1.3 – ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO

Este trabalho é dividido em sete capítulos de acordo com os temas analisados e foi

estruturado da seguinte maneira:

Resumo / Abstract: apresenta o resumo do conteúdo do trabalho, nos idiomas

português e inglês, ressaltando a sua natureza, objetivos e importância;

Capítulo 1: neste capítulo a proposta de trabalho é apresentada, destacando-se as

considerações iniciais do estudo, os objetivos previstos e a própria estrutura da

dissertação;

Capítulo 2: apresenta uma síntese dos estudos existentes sobre o tema em questão,

abordando aspectos gerais sobre o alumínio, seu beneficiamento e resíduo gerado,

métodos alternativos de disposição dos rejeitos/resíduos finos, técnicas de filtragem

do resíduo da alumina, as condicionantes geotécnicas para os sistemas de

disposição desse material filtrado e os métodos probabilísticos que podem ser

utilizados para calcular a probabilidade de ruptura desses sistemas;

Capítulo 3: apresenta os principais resultados dos ensaios geotécnicos de

caracterização e resistência realizados em amostras do resíduo da CBA, tanto para

o material filtrado por filtro prensa, quanto para o material de fundação no qual

pretende-se dispor o resíduo filtrado;

Capítulo 4: apresenta os principais resultados dos ensaios geotécnicos de

caracterização e resistência realizados em amostras do resíduo da Alunorte, tanto

para o material filtrado por filtro prensa, quanto para o material de fundação no

qual pretende-se dispor o resíduo filtrado;

Capítulo 5: descreve os critérios e metodologias utilizados para elaboração do

arranjo proposto para a CBA, assim como estudos de pluviometria da região,

6

balanço de massas, análises de estabilidade determinísticas e probabilísticas, estudo

de zoneamento da pilha para disposição do resíduo em período chuvoso e a

configuração final do arranjo proposto;

Capítulo 6: descreve os critérios e metodologias utilizados para elaboração do

arranjo proposto para a Alunorte, assim como estudos de pluviometria da região,

balanço de massas, análises de estabilidade determinísticas e probabilísticas, estudo

de zoneamento da pilha para disposição do resíduo em período chuvoso e a

configuração final do arranjo proposto;

Capítulo 7: reúne as principais conclusões provenientes das análises e avaliações

realizadas durante o desenvolvimento desta dissertação, incluindo-se também

algumas sugestões para pesquisas futuras e/ou complementares;

Referências Bibliográficas: contempla a listagem de todos os materiais técnicos

consultados e referenciados ao longo do texto, em conformidade com a ABNT –

Associação Brasileira de Normas Técnicas.

7

CAPÍTULO 2

CONCEPÇÕES E PREMISSAS DE SISTEMAS DE DISPOSIÇÃO EM PILHAS DE

RESÍDUOS DE ALUMINA

Neste capítulo é apresentada uma síntese dos estudos existentes sobre o tema em questão,

abordando aspectos gerais sobre o alumínio, seu beneficiamento e resíduo gerado, métodos

alternativos de disposição dos rejeitos/resíduos finos, técnicas de filtragem do resíduo da

alumina, as condicionantes geotécnicas para os sistemas de disposição desse material

filtrado e os métodos probabilísticos que podem ser utilizados para calcular a probabilidade

de ruptura desses sistemas.

2.1 – O ALUMÍNIO

Dentre os materiais provenientes da exploração mineral mais utilizados pelo homem e

geradores de resíduo, está o alumínio e suas ligas. Segundo a página eletrônica do Instituto

Brasileiro de Mineração (IBRAM) – www.ibram.org.br (em 18/12/2013), um estudo

desenvolvido pela Bain & Company afirma que o setor de alumínio no Brasil passou por

fortes transformações nos últimos 15 anos. A demanda interna por alumínio praticamente

dobrou nos últimos dez anos, saindo de 750 mil toneladas anuais para 1,4 milhão de

toneladas por ano. O estudo aponta, ainda, que o consumo de alumínio no país deverá

crescer ainda mais. Segundo as projeções, em 2020, o Brasil poderá consumir entre 2,4 e

2,8 milhões de toneladas do material por ano.

O alumínio é o terceiro elemento mais abundante na crosta terrestre, como mostra a Figura

2.1. A disponibilidade de bauxita, o minério bruto do qual é obtido o alumínio, é suficiente

para suprir a demanda de alumínio por vários séculos. A bauxita é composta

principalmente de óxido de alumínio, além de sílica, óxidos de ferro e titânio.

8

Figura 2.1 – Disponibilidade do alumínio na crosta terrestre

(Fonte: European Aluminium Association, 2015)

Mais de 160 milhões de toneladas de bauxita são mineradas a cada ano. Os principais

depósitos são encontrados em áreas tropicais e sub-tropicais. A bauxita é extraída na

Austrália, América Central e América do Sul (Jamaica, Brasil, Suriname, Venezuela,

Guiana), África (Guiné), Ásia (China e Índia), Rússia (Cazaquistão) e Europa (Grécia).

Atualmente, a China lidera a produção mundial de alumínio, produzindo 45% do total no

ano de 2012 (Figura 2.2). (European Aluminium Association, 2015).

Figura 2.2 – Produção de alumínio primário no mundo - 2012

(Fonte: European Aluminium Association, 2015)

9

2.2 – PROCESSO DE PRODUÇÃO DA ALUMINA

O sistema Bayer é atualmente o mais usado em quase todas as plantas de beneficiamento

da bauxita, mesmo com o elevado consumo de energia que ele demanda. Este sistema foi

desenvolvido em 1888, na Alemanha, e suas principais fases de produção, desde a entrada

do minério (bauxita) até a saída do produto final (alumina), são: digestão, clarificação,

precipitação e calcinação. Essas fases tem um fluxograma de certa complexidade, mas que

pode ser resumido em um circuito básico, apresentado na Figura 2.3 e descrito a seguir.

Figura 2.3 – Diagrama simplificado do sistema Bayer para produção de

alumina a partir da bauxita (Fonte: Silva Filho et al., 2007)

Moagem da bauxita

A fase inicial do processo envolve a moagem da bauxita com o objetivo de reduzir a

dimensão das partículas minerais e tornar o mineral apropriado para a digestão. A bauxita é

moída em moinhos de bola (diâmetros entre 0,08 mm e 0,06 mm) (IAI, 2008).

A moagem da bauxita é seguida da digestão.

10

Digestão

A digestão (Figura 2.4) tem o objetivo de extrair a alumina contida na bauxita. Nesse

processo a alumina é dissolvida pelo licor pobre (solução de soda cáustica), enquanto as

impurezas que constituem a lama permanecem insolúveis. (Souza, 2010)

Figura 2.4 – Digestores (Fonte: Souza, 2010)

Clarificação

Através da decantação (Figura 2.5) acelerada por floculantes sintéticos, ocorre a separação

da solução de licor rico das impurezas sólidas (lama). Uma vez decantada, a lama é

removida e bombeada para uma série de cinco lavadores, em contra corrente com água

adicionada no quinto estágio de lavagem, com o objetivo de retirar a soda cáustica presente

na lama. A separação da lama da solução do licor rico é obtida através dos controles: da

temperatura, da adição de floculantes e em função dos sólidos para o controle da vazão na

descarga e monitoramento do nível da lama dentro do decantador. (Souza, 2010)

11

Figura 2.5 – Decantador (Fonte: Souza, 2010)

A filtração consiste na separação de partículas sólidas de uma suspensão líquida mediante

o escoamento desta suspensão em um meio poroso estacionário, denominado de meio

filtrante, no qual o sólido permanece retido sobre este meio, forma um depósito que se

denomina torta de filtração, cuja espessura cresce e se deforma continuamente e passa a

desempenhar um papel fundamental no decorrer da operação de separação (Figura 2.6). A

fase fluida que atravessa o meio poroso é denominado de filtrado. A filtração tem como

objetivo reter estas partículas de lama de aluminato de sódio. O licor rico, produto da

divisão vermelha, sai com cerca de 10 mg/L de lama em suspensão para área de divisão

branca. (Souza, 2010)

Figura 2.6 – Filtros para separação da lama vermelha (Fonte: Souza, 2010)

Precipitação

A alumina hidratada, dissolvida da bauxita na etapa de digestão, deixa a solução, para

formar o produto do processo Bayer, na etapa da precipitação (Figura 2.7). Dois requisitos

básicos devem ser atendidos nesta fase: primeiro, o licor rico filtrado deve ter o seu grau de

12

supersaturação acentuado, através de resfriamento; segundo, certa quantidade de alumina

hidratada, previamente obtida, deve ser usada como semente.

Os precipitadores cementadores recebem semente grossa e a outra parte (70%) de licor

rico, que foi resfriado em trocador de placas (responsável pela redução da temperatura

através da troca de calor com a água industrial). Nos cementadores, a uma dada

temperatura, agitação e tempo de residência, é promovido um aumento da resistência das

partículas do hidrato, que serão enviados aos precipitadores de leito denso, que através de

agitação, resfriamento forçado, promovem um aumento do rendimento de precipitação.

(Souza, 2010)

Figura 2.7 – Precipitadores de hidrato de alumínio (Fonte: Souza, 2010)

Calcinação

É o processo que controla a eliminação da água de cristalização da partícula de alumina tri-

hidratada e obtenção de uma superfície específica pré-determinada. Este processo ocorre a

temperaturas em torno de 960°C (Figura 2.8). (Souza, 2010)

Figura 2.8 – Calcinadores de alumina alfa (Fonte: Souza, 2010)

13

Basicamente, são necessárias cerca de cinco toneladas de bauxita para se produzir duas

toneladas de alumina e duas toneladas de alumina para produzir uma tonelada de alumínio

pelo processo de Redução.

A quantidade de lama vermelha gerada pode chegar ao dobro da quantidade de alumina

produzida. Dados da literatura mostram que uma variação entre 0,3 e 2,5 toneladas de lama

vermelha são geradas a cada tonelada de alumina produzida. (Wang et al., 2008). A Figura

2.9 mostra a bauxita, o minério bruto no qual é extraída a alumina e, a última fase do

processo que é o alumínio.

Figura 2.9 – Bauxita, alumina e alumínio

(Fonte: IAI - International Aluminium Institute, 2015)

A Figura 2.10, obtida pelo Instituto Internacional do Alumínio (2015) mostra a produção

total de alumina entre os anos de 1980 e 2013, distribuída pelo mundo. Em destaque,

aparece a China que iniciou sua produção em 2003 e hoje é líder absoluta no mercado.

14

Figura 2.10 – Produção de alumina no mundo

(Fonte: IAI – International Aluminium Institute, 2015)

A produção mundial de bauxita, em 2008, correspondeu a cerca de 205 milhões de

toneladas, gerando aproximadamente 41 milhões de toneladas de alumínio e 100 milhões

de toneladas de resíduo (lama vermelha). No Brasil, a geração de bauxita no ano de 2008

foi estimada em 26,6 milhões de toneladas gerando aproximadamente 10 milhões de

toneladas de resíduo (Ribeiro et al., 2012).

2.3 – RESÍDUO GERADO NA PRODUÇÃO DE ALUMINA

Ribeiro (2011) afirma que, a lama vermelha é o principal resíduo proveniente da indústria

de beneficiamento da bauxita. A alta concentração de compostos ferrosos dá ao resíduo sua

cor vermelha típica e, consequentemente, seu nome (lama vermelha).

15

O grande volume de lama vermelha produzida e seu caráter alcalino (pH~13) representa

um importante problema ambiental nas áreas onde as indústrias geradoras estão instaladas.

Dessa forma, pesquisas que busquem alternativas de disposição a este tipo de resíduo têm

particular importância.

A estocagem da grande quantidade desse resíduo alcalino gerado é cara (entre 1 e 2% do

preço da alumina), requer uma grande área de disposição (cerca de 1 Km² por cinco anos,

para uma fábrica que produza 1 Mton de alumina por ano) e provoca uma série de

problemas ambientais.

A composição química da lama vermelha é identificada pela técnica de difração de raios X.

Segundo Villar (2002), nesta técnica um feixe destes raios atinge a superfície da amostra

analisada e é difratado, sendo detectado por um contador Geiger que se move a uma

velocidade constante em um arco de círculo, cujo centro é o centro da amostra. O contador

registra graficamente em posição e intensidade, os ângulos θ das difrações

correspondentes, que estão relacionados com a inclinação e posição do raio emitido. O

resultado consiste de um gráfico onde são apresentados vários picos de comprimentos

diferentes ao longo do arco de varredura utilizado, chamado difratograma. A posição deste

pico em função do ângulo θ da emissão permite determinar o comprimento de onda

emitida, que é característica do elemento presente na amostra e função das distâncias

interplanares de sua estrutura cristalina. Uma vez este comprimento calculado, ele é

comparado com uma série de arquivos preexistentes de minerais conhecidos e desta

maneira, é obtida a classificação mais provável do composto presente no material

analisado.

A composição química das mais importantes fontes de geração de lama vermelha encontra-

se na Tabela 2.1.

16

Tabela 2.1 – Composição da lama vermelha para diversos tipos de bauxita

(Fonte: Silva Filho et al., 2007)

Villar (2002), também através da análise por difração de raios-X, verificou a presença de

hematita (Fe2O3), quartzo (SiO2), gibbsita (Al(OH)3) e anatásio (TiO2) na lama vermelha

da região do sudeste do Brasil (Poços de Caldas-MG), com predominância dos picos de

hematita, como apresentado na Figura 2.11. Compostos como óxido de potássio (KaO2),

óxido de cálcio (CaO), tridymita (SiO2), ulvospinel (Fe2TiO4) também foram encontrados

na lama vermelha.

Figura 2.11 – Difratograma da lama vermelha da região sudeste do Brasil (Fonte: Villar,

2002)

17

2.4 – SISTEMAS DE DISPOSIÇÃO DE REJEITOS/RESÍDUOS FINOS

No Brasil, os rejeitos de beneficiamento são normalmente dispostos em forma de polpa em

estruturas de contenção denominadas barragens. Em outros países, existe uma tendência

para o adensamento dos rejeitos, pois a disposição de rejeitos na forma de polpa de alta

densidade, pastas minerais ou tortas apresenta vantagens consideráveis e representa

alternativas às práticas convencionais (Guimarães, 2011).

Os métodos convencionais de disposição de lamas são também denominados de métodos

úmidos, devido à grande quantidade de água de processo que segue com o material sólido

para disposição. Os métodos úmidos aplicáveis à lama vermelha consistem em grandes

diques ou barragens onde a lama vermelha é disposta com baixo teor de sólidos. Neste

caso, a separação de fases ocorre no local de disposição, onde o material sólido sedimenta

e surge um sobrenadante alcalino. A operação é simples e barata, consistindo na

sedimentação natural da fase sólida e na recirculação do sobrenadante para a fábrica (Silva

Filho et al, 2007).

No entanto, o potencial de impacto dos métodos úmidos sobre o meio ambiente é alto,

podendo-se destacar: necessidade de grandes áreas de disposição do rejeito; risco de

contaminação do solo e do lençol freático; no caso de ruptura, propagação da mancha de

inundação dos rejeitos na área de jusante podendo causar sérios danos ambientais,

econômicos, sociais, perda de vidas humanas, entre outros.

Os custos associados de construção das estruturas de estocagem dos resíduos são altos,

devido à necessidade de impermeabilização da área antes da disposição, feita normalmente

por meio de membranas plásticas ou da aplicação de camada de material impermeável,

devido aos riscos de contaminação do solo e do lençol freático, entre outros componentes.

Deve-se destacar também que a vida útil da área de disposição é curta, normalmente entre

4 e 7 anos, e a reabilitação da área é um processo lento. Os riscos com relação ao

18

rompimento dos diques também estão presentes, e representam um motivo de preocupação

para a população a jusante (Silva Filho et al, 2007).

A Figura 2.12 mostra um exemplo de uma barragem de lama vermelha.

Figura 2.12 - Barragem do Marzagão – Aditya Birla Hindalco em Ouro Preto / MG.

Lançamento contínuo de polpa

Além dos diques ou barragens de estocagem, um outro método aplicado atualmente para

disposição da “lama vermelha” e que fornece uma solução técnica que satisfaz às

exigências dos órgãos reguladores é conhecido como “dry stacking” (Figura 2.13).

Este método consiste na disposição progressiva da lama vermelha. A área de disposição é

dividida em leitos de secagem, onde a lama vermelha é descarregada até atingir uma

determinada altura, passando-se a seguir para o leito de secagem livre e assim por diante.

Quando todos os leitos de secagem estiverem ocupados repete-se o ciclo, depositando uma

nova camada de lama vermelha no leito de secagem inicial. O “dry-stacking” permite a

diminuição da umidade por meio da evaporação e da drenagem (Silva Filho et al, 2007).

A redução desse teor de umidade conduz à obtenção de um depósito de material não fluido

que, por possuir uma maior consistência quando comparado ao resíduo disposto em uma

barragem convencional, apresenta menor risco de ruptura da estrutura de contenção e ao

mesmo tempo, no caso de ruptura, não apresenta risco de fluir para jusante.

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Uma variante do "dry-stacking" é a secagem solar. Essa técnica é particularmente aplicável

para áreas onde a taxa de evaporação é elevada. A secagem solar utiliza leitos de secagem

com baixa profundidade (100 mm) para facilitar a evaporação (Silva et al, 2007).

Figura 2.13 – Depósito de resíduo de lama vermelha da Alumar, Ilha de São Luís – MA.

Processo de lançamento com secagem

Uma das principais vantagens do “dry stacking” sobre outros sistemas é a facilidade de

recuperação e fechamento progressivo da área de disposição. A estrutura geralmente pode

ser desenvolvida de tal maneira que a recuperação comece de forma bastante antecipada no

ciclo de vida do projeto. Isto pode ter muitas vantagens no controle de emissão de poeira,

no uso de materiais para recuperação, e nos impactos ambientais do projeto em curto e

longo prazo (Davies, 2011).

Outro método que vem sendo recentemente considerado pelas indústrias de produção de

alumina é a aplicação da tecnologia de filtragem para desaguamento de resíduos antes da

sua disposição. Como exemplo, a Alunorte atualmente utiliza este método por meio de

filtros tambor permitindo que a lama vermelha seja lançada nos depósitos de resíduo na

forma de uma pasta contendo cerca de 60% em peso na fase sólida, evitando a segregação

de líquidos e adquirindo a consistência de um solo natural em curto espaço de tempo,

facilitando a recuperação da área (Figura 2.14).

20

Figura 2.14 – Disposição de lama vermelha da Alunorte, (Barcarena – PA). Rejeito filtrado

por filtro tambor

Nery (2013) destaca a filtragem dos resíduos utilizando filtros prensa, cujo funcionamento

consiste no bombeamento sob alta pressão de soluções com resíduos por elementos

filtrantes permeáveis, que permitem apenas a passagem da água, sendo a parte sólida retida

nas placas filtrantes, formando tortas compactas e com elevado teor de sólidos (de 70% a

80%) e grau de saturação de aproximadamente 80%. A filtragem por pressão, comparada

com outros tipos de equipamentos para desaguamento do rejeito, está sendo atualmente

avaliada pelas indústrias.

Peixoto (2012) afirma que os resultados obtidos da filtragem de rejeitos demonstram o

potencial da técnica do desaguamento dos rejeitos e dos sistemas de disposição dos

mesmos em pilhas, induzindo, portanto, estudos alternativos para viabilização prática

destas metodologias em grande escala, associadas a critérios de simplicidade e

flexibilização dos dispositivos, baixos custos de implantação e facilidades de manutenção

em campo.

2.5 – REJEITOS/RESÍDUOS FILTRADOS

A filtragem pode ser definida como uma operação unitária de separação dos sólidos

contidos em uma suspensão aquosa mediante a passagem da polpa através de um meio

filtrante, que retém as partículas sólidas e permite a passagem do líquido. O líquido que

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atravessa o meio filtrante é denominado filtrado e os sólidos retidos constituem a torta

(Guimarães, 2011). Uma operação típica de filtragem está representada na Figura 2.15.

Figura 2.15 – Princípio de filtragem (Fonte: UFOP, 2004 – Espessamento e Filtragem)

Os rejeitos filtrados podem ser filtrados a úmido, denominados de “wet cake” ou filtrados a

seco “dry cake”. O rejeito filtrado a úmido apresenta grau de saturação próxima de 100%.

O rejeito filtrado a seco apresenta de 70 a 85% de grau de saturação (Davies, 2011).

Para que ocorra a filtragem é necessária a existência de uma força incidente sobre as

partículas através de um meio poroso e pode ser conseguida através de: gravidade, vácuo,

pressão ou centrifugação, conforme mostrado na Tabela 2.2.

Tabela 2.2 – Mecanismos de filtragem e os principais fornecedores (Guimarães, 2011)

Tipos Características Modelos de Filtros Principais

Fornecedores

Filtragem a

vácuo

Criada uma pressão

negativa debaixo do

meio filtrante

Filtro tambor, de

disco convencional,

filtro horizontal de

mesa e filtro

horizontal de correia

Andritz, FLSmidth,

Larox, Delkor,

Gaudfrin

Filtragem

sob pressão

Uma pressão positiva

é aplicada na polpa

Filtro prensa

horizontal, filtro

prensa vertical

Andritz, FLSmidth

(Pneumapress), Larox

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Tabela 2.2 – Mecanismos de filtragem e os principais fornecedores (Guimarães, 2011) -

Continuação

Tipos Características Modelos de Filtros Principais

Fornecedores

Filtragem

centrífuga

Utiliza a força

centrífuga para forçar

a passagem do líquido

Centrífugas verticais

e Decanters

Andritz, GEA

(Westfalia), Alfa

Laval

Filtragem

hiperbárica

Em que se combinam

vácuo e pressão

Filtro de disco

encapsulado ou

hiperbárico

Andritz, Bokela,

Gaudfrin

Filtragem

capilar

Utiliza a ação de

capilares de meios

cerâmicos porosos

para efetuar o

desaguamento

Ceramec Larox

A filtragem de rejeitos é uma prática usual nas minerações do deserto de Atacama, na

região norte do Chile, para reduzir as perdas de água devido à sua escassez na região

(Guimarães, 2011).

Apesar da disposição de rejeito filtrado apresentar custo elevado associado à planta de

desaguamento e ao transporte e disposição final, deve-se ter em mente a amortização

destes custos na fase de desativação do empreendimento devido à facilidade de

recuperação dessas áreas.

A Tabela 2.3 apresenta um resumo das principais unidades de rejeito filtrado existentes no

mundo.

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Tabela 2.3 – Resumo das principais unidades de rejeito filtrado do mundo (adaptado de

Ulrich e Coffin, 2013 – publicado no Paste 2013)

Mina Localização Tipo de

Minério

Produção

(em toneladas por dia)

Alcoa Austrália Alumina 35.500

Chingola Zâmbia Cobre 24.000

La Coipa Chile Ouro e prata 16.000

Mantos de Oro Chile Ouro e prata 15.000

Vaal Reef África do Sul Ouro e urânio 10.000

Randfontein

Estates África do Sul Ouro e urânio 10.000

Lihir Island Nova Guiné Ouro 7.500

El Sauzal México Prata e ouro 5.300

Gecamines Zaire Cobre 5.000

Nabalco Austrália Alumina 5.000

Mantos Blanco Chile Cobre 4.000

Alamo Dorado México Prata e ouro 3.500

Pogo Estados Unidos Ouro 2.500

Raglan Canadá Zinco 2.000

Greens Creek Estados Unidos Ouro, prata e

zinco 1.500

Eskay Creek Canadá Cobre 300

Nixon Fork Estados Unidos Ouro 150

2.5.1 – Tipos de Filtros

Dentre os mecanismos de filtragem mostrados na Tabela 2.2, será apresentada nos subitens

a seguir uma breve descrição apenas dos filtros utilizados nos estudos de caso deste

trabalho, ou seja, os filtros à vácuo e os filtros sob pressão, por serem os tipos de filtros

mais considerados atualmente para filtragem da lama vermelha.

24

2.5.1.1 – Filtros à Vácuo

Os filtros à vácuo tiveram grande aplicação a partir do início da década de 50 para

responder pela alta produção da então crescente indústria (Amarante, 2002). Bánvölgyi e

Huan (2009) cita que, o primeiro filtro tambor à vácuo em tamanho comercial foi

desenvolvido e colocado em operação na Alemanha em meados de 1960 para lavar e

desaguar lama vermelha.

A filtragem à vácuo consiste na aplicação de uma força negativa (subatmosférica), por

bombas de vácuo, através do meio filtrante. Os equipamentos de filtragem à vácuo são

sempre contínuos, mas realizam diversas tarefas, dentro de um espaço de tempo (ciclo),

como: formação de torta, secagem, lavagem e descarga da torta. A torta é formada

colocando-se o meio filtrante em contato com a polpa, sob ação do vácuo. A formação da

torta pode se dar por meio da deposição do material sobre o meio filtrante, como acontece

nos filtros horizontais, ou pela aspiração do material sólido para junto do meio filtrante,

como nos filtros de disco e tambor. O processo de secagem é realizado sob ação do vácuo e

consegue retirar água presa na estrutura da torta. A etapa de lavagem da torta é muito

utilizada na indústria de alumina. O descarregamento da torta pode ser realizado de

diversas formas, como por exemplo, no caso de filtros de discos convencionais, a descarga

é feita pela inversão do fluxo de ar, com sopro de ar no meio filtrante (Nery, 2013).

O circuito de filtragem consiste do filtro (equipamento principal), dos sistemas de

transporte da torta e transporte do filtrado, das linhas de vácuo e da bomba de vácuo. A

tubulação de vácuo é constituída de um trecho em anel, ligando os filtros a um vaso

separador. Deste saem duas tubulações: uma vai para a bomba de vácuo e transporta o ar

(vácuo) e a outra é vertical e desce para o tanque onde o filtrado é descarregado. A altura

desta tubulação vertical descendente deve ser maior que a coluna de água correspondente à

depressão do circuito de vácuo, e é denominada perna barométrica como mostra a Figura

2.16 (Guimarães, 2011).

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Figura 2.16 – Desenho esquemático do sistema de filtragem à vácuo (Guimarães, 2011)

Os filtros a vácuo podem ser com alimentação da polpa por cima, como é o caso do filtro

horizontal de correia e o de mesa, ou com alimentação por baixo, que é aplicada apenas

para polpas que possam ser mantidas em suspensão mediante agitação moderada, como no

filtro de disco convencional. O fluxograma apresentado na Figura 2.17 mostra as classes de

filtros a vácuo. Observa-se que, com exceção do filtro Nutsch, todos os filtros são

contínuos.

Figura 2.17 – Fluxograma das classes dos filtros a vácuo (adaptado de Nery, 2013)

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Segundo Nery (2013), as principais vantagens e desvantagens dos filtros à vácuo são

listadas a seguir.

Vantagens:

Operação contínua (com exceção do filtro Nutsch);

Recuperação ou remoção dos contaminantes solúveis pela lavagem em

contracorrente (especialmente nos filtros de correia horizontal, de bandeja inclinada

e de mesa);

Produção de filtrados relativamente limpos usando uma porta para o fluido ou uma

bacia de sedimentação (nos filtros de correia horizontal, de bandeja inclinada e de

mesa);

Permite polir soluções (em um filtro pré-revestido);

Acesso conveniente à torta para atividades do operador ou retirada de amostragem;

Controle fácil de parâmetros operacionais, tais como relação da espessura ou da

lavagem da torta;

Grande variedade de materiais de construção;

Baixo custo de manutenção, já que não requer tanta mão de obra.

Desvantagens:

Umidade residual mais elevada na torta;

Construção de difícil vedação para permitir presença de gases;

Difícil de limpar;

Consumo elevado de potência pela bomba de vácuo.

Uma breve descrição dos filtros a vácuo de tambor rotativo, de disco convencional,

horizontais de mesa e de correia é apresentada a seguir.

Filtros de tambores rotativos

Utilizado em processos onde os líquidos a serem filtrados contenham alto volume de

sólidos. É um sistema para separar um sólido particulado de um fluido, fazendo com que o

sólido fique retido num meio poroso (torta) e o fluido passe através desse meio.

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Esse sistema filtra, lava e descarrega a torta de forma contínua. O tambor é recoberto com

um meio de filtração conveniente onde uma válvula automática no centro do tambor ativa

o ciclo de filtração, secagem, lavagem e retirada da torta e a filtração sai pelo eixo de

rotação. Existem passagens separadas para o sólido e para o líquido de lavagem, além de

uma conexão de ar comprimido que se utiliza para ajudar a raspadeira de facas na retirada

da torta. Trata-se de um tambor cilíndrico horizontal que gira em baixa velocidade

parcialmente submerso na suspensão a filtrar.

A superfície externa do tambor é feita de tala ou metal perfurado sobre a qual é fixada a

lona filtrante. O cilindro é dividido em um número de setores por meio de partições radiais

com o comprimento do tambor. Ligando estas partições há um outro cilindro interno de

chapa comum. Desta forma, cada setor é parte de um compartimento que se liga

diretamente com um furo na sede de uma válvula rotativa especial colocada no eixo do

cilindro.

A sede da válvula gira com o tambor, mas está em contato com uma outra placa

estacionária com rasgos junto à periferia. Estes rasgos comunicam-se através de tubulações

presas em uma terceira placa, também estacionária, com os reservatórios de filtrado, água

de lavagem e, algumas vezes, de ar comprimido.

À medida que o tambor gira, os diversos setores vão passando sucessivamente pela

suspensão. Enquanto um setor estiver submerso, o furo que lhe corresponde na sede da

válvula estará passando em frente ao rasgo que comunica com o reservatório de filtrado e

que é mantido em vácuo. Logo que o setor sair da suspensão e a torta estiver drenada

começa a lavagem e o furo correspondente passa a ficar em comunicação com o

reservatório de água de lavagem.

Depois de feitas quantas lavagens forem necessárias, a torta é soprada com ar comprimido

e raspada por meio de uma faca. A retirada do sólido nunca é total, por não haver o risco

de rasgar a lona ou a tela do filtro e para não perder o vácuo (Fonte:

http://www.meiofiltrante.com.br).

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A Figura 2.18 apresenta um exemplo de filtro tambor rotativo.

Figura 2.18 – Exemplo de filtro tambor rotativo (Araxá – MG)

Filtros de disco convencional

Filtros de discos convencionais (Figura 2.19) são formados por uma série de discos

espaçados e ligados em um tubo que passa pelo eixo. O tubo, por sua vez, é ligado em uma

válvula automática que é conectada às tubulações de vácuo e de